Per scegliere quale materiale è più adatto alla progettazione del canale da vuoto sono stati considerati: • Lega di alluminio Al5083;
• Acciaio inossidabile AISI 316.
Essendo il peso totale del collimatore uno dei vincoli fondamentali nella progettazione, è bene non aumentare troppo lo spessore del canale. Un’altra limitazione che riguarda sia la grandezza del canale da vuoto sia il suo spessore, è data dalla struttura che circonda il collimatore (vedi Figura 2.29): il diametro massimo del canale da vuoto non può superare i 125 mm.
Figura 2.28 Rappresentazione della geometria dell’isolante
Anelli in AISI 316
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Figura 2.29 Rappresentazione del vincolo sul diametro del canale da vuoto
Dai risultati delle analisi agli Elementi Finiti emerge che le temperature massime misurate sulla grafite non sono influenzate dal materiale del canale da vuoto.
Dalle simulazioni svolte con canale in acciaio si è notato che:
1. Le temperature massime del collimatore, raggiunte sulla grafite in corrispondenza dell’area di deposizione della potenza, rimangono sostanzialmente costanti (circa uguali a 570°C, vedi Figura 2.30) all’aumentare dello spessore del canale da vuoto;
2. Le temperature massime misurate sul canale da vuoto in acciaio diminuiscono sensibilmente con l’aumento del suo spessore.
Rispetto ai canali da vuoto in acciaio:
1. I collimatori con canale in alluminio sono caratterizzati da temperature massime sulla grafite maggiori, pari a circa 580°C;
2. Le temperature riscontrate all’interno del canale da vuoto sono molto minori (vedi Figura 2.31), perché la conducibilità termica dell’Al5083 è maggiore rispetto a quella del AISI 316.
3. Anche nei collimatori che presentano canali da vuoto in alluminio le temperature massime rimangono circa costanti al variare dello spessore del tubo;
4. Diminuiscono le temperature massime sull’Al5083 con l’aumento del suo spessore. I risultati ottenuti dalle simulazioni con ANSYS sono stati riportati nella Tabella 5:
Spessore del canale da vuoto Temperature massime della grafite (Canale in ACCIAIO AISI 316) Temperature massime della grafite (Canale in LEGA DI ALLUMINIO Al5083) Temperature massime del (Canale in ACCIAIO SS316) Temperature massime del (Canale in LEGA DI ALLUMINIO Al5083)
0.05 570.416 580.368 243.34 87.377
0.1 570.326 580.356 235.83 82.632
0.15 570.248 580.347 230.137 79.345
0.2 570.178 580.34 225.439 76.831
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0.25 570.114 580.335 221.404 74.805
0.3 570.055 580.33 217.802 73.118
0.35 570 580.326 214.586 71.68
0.4 569.947 580.322 211.618 70.434
0.45 569.952 580.319 209.328 69.34
0.5 569.907 580.316 206.808 68.3689
Tabella 5: Temperature massime misurate sulla grafite e sul canale da vuoto in funzione dello spessore e del materiale che costituiscono il canale. Questi valori sono stati ricavati mediante simulazioni in ANSYS
Figura 2.30: Andamento della temperatura massima misurata sulla grafite in funzione dello spessore del canale da vuoto e del suo materiale
Figura 2.31: Andamentodelle temperature massime misurate sul canale da vuoto al variare dello spessore del canale e in funzione al suo materiale
568 570 572 574 576 578 580 582 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Te m p era tu ra m ass im a [° C]
Spessore del canale da vuoto [mm]
Temperature massima sulla GRAFITE
Acciaio SS316
Lega di alluminio Al5083
0 50 100 150 200 250 300 0 0,2 0,4 0,6 Te m p era tu ra m ass im a [° C]
Spessore del canale da vuoto [mm]
Temperature massime del CANALE DA VUOTO
Acciaio SS316
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Considerando le temperature massime raggiunte dal canale da vuoto e considerando che l’attivazione dell’alluminio è molto minore rispetto a quella dell’acciaio, si è scelto di utilizzare un canale da vuoto in lega di alluminio.
Durante la progettazione finale del collimatore, sarà importante verificare che le temperature del canale da vuoto non siano troppo elevate per garantire il funzionamento delle guarnizioni.
Infine, per facilitare le operazioni di sostituzione del collimatore è stata utilizzata una flangia rapida ISO tapered NW100 all’estremità del canale da vuoto, che è collegata ad un’altra flangia rapida ed è assicurata per mezzo di una catena (vedi Figura 2.32 e Figura 2.33).
Figura 2.32 Catena rapida EVAC KF100
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2.9 Conclusioni
Il collimatore è costituito dai seguenti materiali:
• Grafite POCO EDM-3: è lo strato di collimatore che blocca le particelle del fascio e sul quale viene depositata la potenza;
• NITRURO DI BORO: funge da isolante elettrico, ma non da isolante termico; • LEGA DI RAME (ETP): è il materiale utilizzato per raffreddare il collimatore; • LEGA DI ALLUMINIO Al5083: costituisce il canale da vuoto.
Svolgendo le analisi termiche con il programma di calcolo agli elementi finiti ANSYS, è stato osservato che l’aumento dello spessore del canale da vuoto e del rame fa diminuire le temperature sul collimatore; al contrario, invece, l’aumento dello spessore dell’isolante peggiora la situazione. Gli spessori dei diversi componenti del collimatore sono stati scelti tenendo presente queste considerazioni.
Le dimensioni principali, che sono state scelte per la progettazione del collimatore, sono riassunte nella Figura 2.34.
• Raggio interno del collimatore: 19.5 mm; • Spessore della grafite: 40 mm;
• Spessore dell’isolante: 31 mm; • Spessore del rame: 35 mm;
• Spessore del canale da vuoto: 2 mm.
Si aggiunge che alcune delle dimensioni che erano state definite durante il predimensionamento del sistema sono state cambiate a causa di esigenze progettuali: sono stati aggiunti 5 mm al rame, per permettere l’inserimento del canale di raffreddamento, e 6 mm all’isolante, per permettere il collegamento di questo materiale alla grafite POCO EDM-3 e al rame (vedi paragrafo 3.2.4). Le dimensioni originali di questi elementi erano:
• 30 mm: spessore del rame; • 25 mm: spessore dell’isolante.
È stato modificato anche il raggio interno del collimatore, che è passato da 16 mm a 19.5 mm.
L’aumento dello spessore di Cu comporta una diminuzione delle temperature massime sul collimatore, in quanto aumenta l’estensione della superficie a cui è applicato il vincolo di temperatura di 50°C. Invece, l’aumento dell’isolante comporta un peggioramento delle temperature sia all’interno del collimatore, sia nel canale da vuoto (vedi paragrafo 2.7).
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La Tabella 6 riassume le temperature massime raggiunte nei diversi materiali del collimatore, considerando le dimensioni riportate nella Figura 2.34 e i risultati ottenuti da:
1. Modello analitico del collimatore, presentato nel paragrafo 2.3.3;
2. Modello numerico senza irraggiamento e convezione naturale, presentato nel paragrafo 2.5; 3. Modello numerico con irraggiamento e convezione naturale, presentato nel paragrafo 2.4.1.
Modello analitico
Modello numerico con ANSYS (Senza convezione
naturale e irraggiamento)
Modello numerico con ANSYS (Con convezione naturale e irraggiamento) Isolante BN 𝑻𝒎𝒂𝒙,𝑪𝒖 98°C 68°C 67°C 𝑻𝒎𝒂𝒙,𝑰 490°C 457°C 430°C 𝑻𝒎𝒂𝒙,𝑪 696°C 733°C 685°C
Tabella 6: Temperature massime rilevate su grafite, isolante e rame utilizzando diversi modelli di calcolo per verificare gli spessori scelti dei materiali del collimatore
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CAPITOLO 3
Sistema di raffreddamento e soppressori
3.1 Introduzione
I componenti che costituiscono il collimatore tendono a raggiungere temperature molto elevate in assenza di un appropriato sistema che garantisca il loro raffreddamento: alcuni dei materiali utilizzati non riescono a lavorare a temperature così alte, pertanto è necessario dissipare il calore depositato sul collimatore in modo tale da non superare le temperature massime di esercizio in vuoto di grafite, nitruro di boro, rame, AISI 316 e Al5083. Il primo obiettivo di questo capitolo riguarda il dimensionamento di un sistema di raffreddamento in grado di far diminuire le temperature raggiunte dai componenti del collimatore, che abbia lo stesso effetto del vincolo di temperatura utilizzato per le analisi termiche del sistema.
Il canale progettato per svolgere questa funzione è stato modellato all’interno dell’elemento in rame, utilizzando il software CREO Parametric 2.0. Affinché la convezione forzata all’interno del sistema di raffreddamento sia adeguata, i fori che costituiscono questo canale sono stati collocati a circa 50 mm dall’asse del collimatore. Il secondo obiettivo del capitolo, invece, riguarda il dimensionamento dei soppressori. Il soppressore è un elettrodo con potenziale negativo che ha il compito di respingere gli elettroni secondari emessi dal collimatore.
Questi componenti sono necessari all’interno dei collimatori poiché il fascio viene in parte bloccato e la corrente depositata su ogni parte di grafite deve essere misurata. L’utilizzo dei soppressori è indispensabile per minimizzare l’emissione degli elettroni secondari, misurando correttamente il segnale di corrente in uscita dall’amperometro.